Ở Việt Nam, quặng sắt phân bố rất rộng rãi và dễ khai thác, đó là các mỏ: mỏ sắt Trại Cau, Quang Trung, Linh Nham, Tiến Bộ (Thái Nguyên), Quý Xa (Yên Bái), Mộ Đức (Quảng Ngãi), Phú Thọ, Cao Bằng. Gần đây, mỏ Thạch Khê (Hà Tĩnh) được cho là lớn nhất Đông Nam Á với trữ lượng khoảng 500 triệu tấn đã bắt đầu được khai thác [8].
Căn cứ vào các khoáng vật chính tạo quặng mà phân ra các kiểu công nghiệp chủ yếu của quặng sắt sau đây: quặng manhetit (sắt từ) FeO.Fe2O3 (72,4% Fe); quặng hematit (Sắt đỏ, xpecularit, lepidomelan) Fe2O3 (70% Fe); quặng sắt nâu (limonit) Fe2O3.nH2O (n = 1÷1,5; 59,8% Fe); quặng xiderit FeCO3 (48,3% Fe); quặng Silicat (Samozit) 4FeO.Al2O3.3SiO2.4H2O và titanomahetit – quặng tổng hợp có thành phần chủ yếu là sắt, vanadi và titan [8].
Về giá thành, quặng sắt được bán trên thị trường với giá từ 100 – 200USD/tấn, tương đương với 2-4 triệu đồng Việt Nam/tấn. Với giá thành như vậy cùng với trữ lượng lớn được phân bố ngay trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên quặng sắt rất thích hợp để xử lí môi trường.
1.5. Một số hƣớng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh và metyl da cam
Các nghiên cứu về sự hấp phụmetylen xanh và metyl da ca trên các vật liệu hấp phụ khác nhau trước đây đã được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều dựa trên sự hấp phụ của các vật liệu đắt tiền, ít phổ biến (ví dụ: than hoạt tính, các bon nano đơn vách…). Vì vậy, trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm ra những vật liệu hấp phụ có chi phí thấp tận dụng được những phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp hoặc chất thải để loại bỏ một số hợp chất hữu cơ nói chung và metylen xanh và metyl da cam nói riêng. Những lợi thế chính của các vật liệu này bao gồm: chi phí thấp, hiệu quả cao, giảm thiểu bùn hóa học hoặc sinh học.
1.5.1. Một số hƣớng nghiên cứu hấp phụ metylen xanh
Kumar và các cộng sự [25] đã nghiên cứu các cơ chế hấp phụ metylen xanh củatro bay và chứng minh rằng tro bay có thể được sử dụng như một vật liệu hấp phụ đểloại bỏ metylen xanh từ dung dịch nước của nó.
Vadilvelan và các cộng sự [29] đã nghiên cứu trạng thái cân bằng, động lực học hấp phụ, cơ chế hấp phụ metylen xanhtrên trấu và thấy rằng động học hấp phụ của quá trình hấp phụ này tuân theo phương trình động học bậc 2 của Lagegren.
Nhóm nghiên cứu của Ghosh [21] đã tiến hành chế tạo vật liệu hấp phụ từ cao lanh. Nghiên cứu này cho thấy cao lanh có thể có hiệu quả trong việc loại bỏ metylen xanh ở nồng độ tương đối thấp từ môi trường nước.
Trong khi đó Senthikumaar và các cộng sự [28] tiến hành nghiên cứu sự hấp phụ metylen xanh lên sợi cacbon và sợi đay và nó được mô tả khá tốt theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir.
Gurses và các cộng sự [19] nghiên cứu việc loại bỏ metylen xanh bằng đất sét và quan sát thấy rằng khả năng hấp phụmetylen xanh của đất sét giảm khi nhiệt độ tăng. Sự hấp phụ này có thể đạt cân bằng hấp phụ sau 1 giờ.
chè thành vật liệu hấp phụ. Kết quả thu được dung lượng hấp phụ cực đại đạt là 85,16 mg/g của metylen xanhcao hơn so với khả năng hấp phụ của một số vật liệu hấp phụ được nghiên cứu gần đây. Cân bằng hấp phụ đạt được trong vòng 5 giờ cho nồng độ metylen xanh là 20-50 mg/l.
Một số tác giả cũng tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ metylen xanh trên các loại vật liệu hấp phụ khác nhau như: sợi thủy tinh, đá bọt, bề mặt thép không gỉ, đá trân châu, vỏ tỏi…. Kết quả thu được cho thấy khả năng hấp phụ của các vật liệu hấp phụ đối với metylen xanh cho hiệu suất khá cao.
1.5.2. Một số hƣớng nghiên cứu hấp phụ metyl da cam
Trung tâm trắc quang và kỹ thuật tài nguyên môi trường An Giang đã nghiên cứu và chứng minh được khả năng hấp phụ metyl da cam của tro trấu từ lò đốt gạch thủ công với 200mg tro trấu (đã hoạt hoá với hàm lượng HF trong dung dịch là 10% thể tích) có khả năng loại bỏ 99% metyl da cam từ 50ml dung dịch metyl da cam (10mg/l) với thời gian hấp phụ là 30 phút, ở pH =5. Với metyl da cam thì ngoài các vật liệu chế tạo từ phụ phẩm nông nghiệp còn có thể dùng hệ tác chất H2O2/OMS-2 để hấpphụ, hiệu suất xử lý sau 60 phút là 83-84% [15].
Trường Đại học Bách khoa và Viện Công nghệ hóa học đã nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ tính dạng sợi có cấu trúc lỗ xốp từ tính bằng phương pháp kết hợp hoạt hóa với từ hóa từ sợi cây dứa bà (dứa mỹ). Sợi dứa bà được hoạt hóa kết hợp từ hóa với muối sắt trong axit nitric ở nhiệt độ cao, sau đó thử nghiệm khả năng hấp thụ của chúng với một số chất hữu cơ trong dung dịch nước. Kết quả cho thấy, than hoạt tính từ tính dạng sợi được chế tạo bằng phương pháp mới có khả năng hấp phụ metyl da cam và phenol trong dung dịch nước cao hơn so với than hoạt tính gáo dừa thương phẩm. Từ tính cao của than hoạt tính dạng sợi còn cho phép tách than khỏi dung dịch một cách triệt để và dễ dàng khỏi dung dịch bằng hệ lọc từ, mở ra triển vọng cải tiến công nghệ xử lý nước bằng vật liệu hấp phụ có từ tính và hệ lọc từ.
Một số công trình nghiên cứu xử lí đồng thời cả metyl da cam và metylen xanh để tách loại chúng ra khỏi nước. Một nhóm các nhà hóa học Đài Loan đã nghiên cứu chế tạo thành công VLHP từ vỏ cam,vỏ chuối để hấp phụ các loại phẩm nhuộm như: metyl da cam, metylen xanh, metyl tím, công gô đỏ.Nguyên cứu của Ngô Thị Lan Anh đã tiến hành chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã mía hấp phụ đồng thời metylen xanh và metyl da cam và được mô tả khá tốt theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir [1].
1.6. Giới thiệu về phƣơng pháp phân tích trắc quang
Phân tích trắc quang là các phương pháp phân tích quang học dựa trên việc đo độ hấp thụ năng lượng ánh sáng của một chất xác định ở một vùng phổ nhất định. Trong phương pháp này, chất cần phân tích được chuyển thành một hợp chất có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng, hàm lượng của chất được xác định bằng cách đo độ hấp thụ năng lượng ánh sáng của hợp chất màu.
Phân tích trắc quang là một phương pháp phân tích hóa lí phổ biến và quan trọng để xác định hàm lượng của các nguyên tố, các chất, các hợp chất trong nhiều đối tượng phân tích khác nhau.
Ví dụ: để kiểm tra các quá trình sản xuất công nghiệp trong hóa học, công nghiệp luyện kim, để nghiên cứu địa chất điều tra cơ bản, nghiên cứu sinh học, y học, khoáng vật học…
Phương pháp phân tích trắc quang do có độ nhạy, độ chính xác, độ chọn lọc khá cao nên thường được dùng để xác định hàm lượng nhỏ, trung bình và hàm lượng lớn của các nguyên tố của các đối tượng phân tích trong nhiều đối tượng phân tích.
Phương pháp này thực hiện nhanh, thuận lợi, thiết bị đơn giản và dễ tự động hóa nên được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học, phòng thí nghiệm nhà máy…
Các công trình khoa học đăng trên các báo tạp chí thì phương pháp trắc quang chiếm 40% tổng số các công trình được công bố [12].
Trong phương pháp này phản ứng hóa học tạo ra hợp chất màu đóng vai trò quan trọng, nó quyết định độ nhạy, độ chính xác, độ chọn lọc và thời gian phân tích. Ở đây chúng tôi chỉ đề cập đến vài nét của phương pháp trắc quang nhằm làm sáng tỏ hơn những vấn đề sẽ được trình bày trong phần thực nghiệm.
1.6.1. Cơ sở của phƣơng pháp phân tích trắc quang
Nguyên tắc chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo độ hấp thụ ánh sáng của nó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X.
Cơ sở của phương pháp là định luật hấp thụ năng lượng ánh sáng Bouguer- Lambert-Beer. Biểu thức của định luật:
A = lg
I I0
= LC (1.11) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó:
I0 , I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch. L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua.
C là nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch
là hệ số hấp thụ mol phân tử, nó phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ ánh sáng và bước sóng của ánh sáng tới ( =f()).
Như vậy độ hấp thụ quang A một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày của dung dịch và nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng.
A=f(,L,C) (1.12) Do đó nếu đo A tại một bước sóng nhất định với cuvet có bề dày L xác
định thì đường biểu diễn A=f(C) phải có dạng y = ax là một đường thẳng. Tuy nhiên do những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ năng lượng ánh sáng của dung dịch (bước sóng của ánh sáng tới, sự pha loãng dung dịch, nồng độ H, sự có mặt của các ion lạ) nên đồ thị không có dạng đường thẳng với mọi giá trị của nồng độ. Do vậy biểu thức (1.13) có dạng:
Trong đó:
Cx: nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch. K: hằng số thực nghiệm.
b: hằng số có giá trị 0 < b 1. Nó là một hệ số gắn liền với nồng độ Cx Khi Cx nhỏ thì b=1, khi CX lớn thì b < 1.
Đối với một chất phân tích trong một dung môi xác định và trong một cuvet có bề dày xác định thì = const và K = k L ta có:
A= K.Cb (1.14) Phương trình (1.16) là cơ sở để định lượng các chất theo phương pháp phổ hấp thụ quang phân tử UV-Vis (phương pháp trắc quang). Trong phân tích người ta chỉ dùng phổ nồng độ tuyến tính giữa A và C, vùng tuyến tính này rộng hay hẹp phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ quang của mỗi chất và điều kiện thực nghiệm [6], [10].
1.6.2. Các phƣơng pháp phân tích định lƣợng bằng trắc quang
Có nhiều phương pháp khác nhau để định lượng bằng phương pháp trắc quang. Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phương pháp so màu bằng mắt, phương pháp dãy chuẩn nhìn màu… các phương pháp này đơn giản không cần máy móc phức tạp nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của chất cần định lượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của một chất nào đó có đạt hay không. Các phương pháp phải sử dụng máy quang phổ như: phương pháp đường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm, phương pháp vi sai phân tích định lượng bằng trắc quang… có rất nhiều phương pháp nhưng tùy theo điều kiện đối tượng cụ thể mà ta chọn phương pháp thích hợp. Trong đề tài này, tôi chọn phương pháp đường chuẩn để định lượng metyl da cam.
Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = K.(Cx)b về nguyên tắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hết phải pha chế một dung dịch chuẩn có nồng độ hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng
nồng độ tuyến tính (b=1). Tiến hành đo độ hấp thụ quang của dãy dung dịch chuẩn đó. Từ các giá trị độ hấp thụ quang đo được dựng đồ thị A = f (C). Ta được đường chuẩn có dạng đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện giống như xây dựng đường chuẩn. Đo độ hấp thụ quang A của chúng với điều kiện như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùng bước sóng) được giá trị Ax. Áp các giá trị đo được vào đường chuẩn sẽ tìm được các giá trị nồng độ Cxtương ứng [6].
1.7. Một số phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu. 1.7.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)
Nhiễu xạ tia X là hiện tượng các chùm tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn do tính tuần hoàn của cấu trúc tinh thể tạo nên cực đại và cực tiểu nhiễu xạ. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu ...xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử.
Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn, tính tuần hoàn dẫn đến việc các mặt tinh thể đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ.
Khi chiếu một chùm tia X vào tinh thể, điện trường của tia X sẽ tương tác với các nguyên tử nằm trong mạng tinh thể tạo ra các tia khuếch tán. Sự giao thoa của các tia khuếch tán sau khi đi qua tinh thể được gọi là sự nhiễu xạ.
Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen là một phương pháp hiệu quả dùng để xác định đặc trưng lý hóa của vật liệu và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ. Phương pháp này dùng để phân tích pha: kiểu và lượng pha có mặt trong mẫu, ô mạng cơ sở, cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, sức căng cũng như phân bố electron. Khoảng cách d giữa các mặt mạng tinh thể liên hệ với góc có nhiễu xạ cực đại và chiều dài bước sóng tia X theo phương trình Vulff- Bragg :
Trong đó:
n: bậc phản xạ; n có các giá trị nguyên n = 1, 2 ,3…
: chiều dài bước sóng tia X
d: khoảng cách giữa hai mặt tinh thể
: góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ
Phương trình Vulff - Bragg mô tả điều kiện nhiễu xạ và được xem là phương trình cơ bản trong nghiên cứu cấu trúc bằng tia X. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen phân tích cấu trúc vật liệu được tiến hành trên thiết bị Siemen D5000 Difractometer tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
1.7.2. Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)
Hiện nay phương pháp BET được ứng dụng rất phổ biến để xác định diện tích bề mặt riêng của các chất hấp phụ rắn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng phương trình BET ở dạng sau:
0 0 ) 1 ( 1 ) ( V CP P C C V P P V P m m (1.16) Trong đó: - V là thể tích chất bị hấp phụ tính cho một gam chất rắn.
- Vm là thể tích chất hấp phụ cần thiết để tạo một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt một gam chất ở áp suất cân bằng P.
- C là hằng số BET.
- V/Vm = được gọi là phần bề mặt bị hấp phụ.
Phương pháp BET nói chung có thể áp dụng để xác định bề mặt riêng của tất cả chất rắn, miễn là áp suất tương đối P/P0 nằm trong khoảng 0,05-0,3 và hằng sốC>1. Phương pháp BET xác định diện tích bề mặt được đo tại Khoa Hóa học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
1.7.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tử quét lên bề mặt mẫu vật và thu lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lý chùm tia phản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu.
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần.
Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát ra này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình.
Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp.Tuy nhiên phương pháp này cho độ phóng đại nhỏ hơn phương pháp TEM.
Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) được đo tạiViện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Chƣơng 2
THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN